CN115118338B - 一种远程隧道施工人员实时定位系统 - Google Patents

Abstract

本方案属于隧道智能建造领域，具体涉及一种远程隧道施工人员实时定位系统。为了达到上述目的，本方案提供一种远程隧道施工人员实时定位系统，包括设立在隧道内部的led灯，还包括：微型处理器：所述微型处理器用于生成led灯位置id信息，并对led灯位置id信息进行编码，通过控制led灯的频率发出led灯位置id信号；接收终端：用于接收led灯位置id信号；还包括微芯片和主动光源，所述微芯片用于在接收终端接收led灯id信号后，发出微芯片id信息，且微芯片对微芯片id信息进行编码，通过主动光源的开关频率传递出微芯片id信号；光接收模块：光接收模块用于通过主动光源的开关频率识别微芯片id信号，生成人员位置信息。实现了对施工人员的快速定位。

Description

一种远程隧道施工人员实时定位系统

技术领域

本方案属于隧道智能建造领域，具体涉及一种远程隧道施工人员实时定位系统。

背景技术

现有的隧道内人员和设备定位普遍都是采用有源RFID技术进行模糊区域识别，如：基于433MHz有源RFID识别系统以及基于2.4GHz有源RFID识别系统。在这些现有技术中，通常采用Nordic、TI等433MHz/2.4GHz无线芯片，构成最大0-10dbm射频功率的RFID读卡器、定位标签等；其中，RFID读卡器按照实际需要的管理区间分布安装于隧道顶部或侧边，并通过现场总线（或无线网络）与控制中心相连。当隧道内人员携带定位标签经过RFID读卡器点时，系统自动识别标签，并进行记录与回传中心显示。在实际使用中，现有技术有以下缺点：在识别区域范围内，例如读卡器前后60米范围内，均只能提供“人员是否存在”的信息；通常，这些系统通过RSSI(ReceivedSignalStrengthIndicator）识别甚至定向天线的方式粗略判断人员离读卡点距离，但是由于RSSI的不确定性以及易受干扰性，该项功能无法有效实现；尤其在环境温湿度变化、人员增多的情况下，RSSI更是无法精确指示；由于模糊定位导致只能确定某段隧道内存在多少工人，却不能确定实际的位置。

公开号CN113395662A的专利公开了一种隧道施工人机定位系统及方法，该系统包括：定位引擎服务器、定位基站和定位标签；定位基站加装于隧道掘进机上；定位标签布置于隧道掘进机上的施工人员身上和有轨电车上的运送物资上；定位引擎服务器部署于隧道外；定位引擎服务器用于：从隧道掘进机导向系统获取当前环号、水平趋向信息和垂直趋向信息来确定定位基站位置信息；通过定位基站获取定位标签信息，根据定位基站位置信息、施工人员和运送物资上的定位标签信息确定施工人员和运送物资的位置距离，根据施工人员和运送物资的位置距离，提醒人员移动物资正在接近。

上述发明通过增设定位基站结合施工人员或设备上的定位标签来完成定位，可以实时确定施工人员、机车及物资的位置信息，提高施工效率。但是基站与标签均为新设置的零部件，针对于施工人员来说是一种负担，而且多的基站又会设计到供电线，信号线的大面积铺设，成本相对较高，现急需一种技术，可以在原有的隧道设施基础上进行优化，对施工人员进行快速定位。

发明内容

本方案提供一种定位系统，能实现对隧道施工人员的快速定位。

为了达到上述目的，本方案提供一种远程隧道施工人员实时定位系统，包括设立在隧道内部的led灯，还包括：

微型处理器：所述微型处理器用于生成led灯位置id信息，并对led灯位置id信息进行编码，通过控制led灯的频率发出led灯位置id信号；

接收终端：包括光感模块、微芯片和主动光源，所述光感模块用于接收led灯位置id信号，所述微芯片用于在光感模块接收led灯id信号后，发出微芯片id信息，且微芯片对微芯片id信息进行编码，通过主动光源的开关频率传递出微芯片id信号；

光接收模块：光接收模块用于通过主动光源的开关频率识别微芯片id信号，生成人员位置信息；

中央处理模块：所述中央处理模块用于根据led灯的位置id信息构建隧道三维模型；还用于接收人员位置信息并根据人员位置信息在隧道三维模型里显示出相对位置关系。

该方案的原理及有益效果：微型处理器具备独有的ip地址，根据微型处理器的ip地址以及其安装在隧道内的位置，可以作为“桩点”，起着提示位置信息的作用，即中央处理模块以各个“桩点”为基础构建隧道的三维模型。微芯片独有的ip地址可与施工人员的身份信息绑定，在微芯片通过主动光源将身份信息传递到光接收模块再传递至中央处理模块时。上述的微型处理器ip地址与微芯片的ip地址均具有唯一性，通过微型处理器的ip地址（即led灯位置id信号）与微芯片的ip地址（即微芯片id信号）相结合，便可判断出施工人员实时所在位置的是位于哪一个led灯的光照范围下，进而判断出是该施工人员的身份信息。

本方案通过光信号传递信息，即通过控制led灯和主动光源的开关频率将信号进行传递，光覆盖范围广，在施工隧道中，施工人员所在的区域是需要保证光照强度的，既保证了安全施工，又能提升施工人员的工作效率；对于光照全覆盖的隧道照明系统，良好的光线强度成为光信号传递的途径，只需要在此基础上对led灯进行微型处理器的加装，以及对接收终端的设立，便能实现施工人员相对位置的定位，并且知晓该施工人员的身份信息。且光信号传递速率快，对应的施工人员位置可以快速响应在隧道的三维模型中，从而实现了对施工人员的快速定位。

综上，本方案既通过led灯，既能够实现对环境的照明，又能够对环境中的人员进行较为精准的定位，同时不需要增加额外的类似AP的设备，并且信号交互带宽小，对微芯片的运算能力要求也非常小，成本极低，甚至在极端情况下，可以依靠电力载波技术进行led灯与中央处理模块之间的通信，本质上相当于在现有照明系统上增加控制节点，极大降低施工成本，能够较好的实现施工人员的快速定位。

进一步，所述接收终端包括旋转台、翻转台、旋转马达，所述旋转马达的输出轴与旋转台同轴可拆卸连接，所述翻转台设立在旋转台上方，另一旋转马达的输出轴与翻转台同轴可拆卸连接，且与翻转台连接的旋转马达通过一根支撑杆固定在旋转台上；所述翻转台为圆形，且直径垂直于旋转台，所述光感模块固定在翻转台的圆弧上。

有益效果：接收终端进行了机械化、智能化的改造，可以实现光感模块多方位的调节，通过光感模块对光照强度强弱的感应，判断出施工人员与led灯（即光源）所成夹角，从而利用光直线传播的特性，推断出该施工人员的所处位置。提升了施工人员定位的精准性。

进一步，所述微芯片还用于通过预设的第一转动指令与第二转动指令控制第一旋转马达和第二旋转马达工作。

有益效果：通过预设指令实现控制操作，更具自动化和智能化。且误差率低，控制精确。

进一步，第一旋转马达通过预设转动指令带动旋转台转动一周，感光模块通过对led灯的光照强度进行识别，微芯片对光照强度的数据以及转动的角度进行记录，确定并将旋转台转动至最大光照强度的转动角度位置；然后通过预设的第二旋转马达控制指令控制第二马达工作，同步监测光照强度变化，并将翻转台停止在光感模块最大光照强度位置，其中在旋转台转动时，光感模块处于翻转台上顶点位置。

有益效果：通过旋转台和翻转台的运动，使得光照模块始终朝向最大光照强度的方向，具备“向光性”，且光照模块始终朝向光照强度最大的方向，此时led灯与施工人员形成了的夹角与翻转台与地平面所成的夹角相等，从而判断出施工人员的相对位置。

进一步，根据翻转台的转动角度，确定出led灯相对施工人员的偏转角度信息，通过微芯片编码后合并至微芯片id信号内一并发出。

有益效果：翻转台的转动角度，对实际位置的确定提供了精确的参数指标。

进一步，所述led灯、微型处理器、接收终端和光接收模块均为多组。

有益效果：多组联动，可以实现隧道内多个“桩点”的布控，更具精准性，且能实现整个隧道的智能化管理，对施工人员进行整体的定位。

进一步，还包括摄像头，所述摄像头用于采集隧道内的实时图像信息。

有益效果：增添了画面，隧道建模可以渲染成实景，画面更为逼真，还原度高，同时使用者可以通过画面直接确定施工人员所在的位置。

进一步，包括安全帽，所述接收终端设置在安全帽上；所述微型处理器上加装了声波接收模块，用于接收特定的声波频率，安全帽上还设有主动声波发生器，当主动位置光信号未能被光接收模块所接收时，主动声波发生器发出位置声波被声波接收模块接收。

有益效果：增添了声波定位，多种定位模式使得施工人员的位置在多种条件下能够被快速度精准地知晓。安全帽是安全生产的必备装备，将接收终端设置在安全帽上，简易方便，且不会增加施工人员的负担。

进一步，根据翻转台的转动角度，判断出施工人员所在方位后，微型处理器还会发滤光信号，所述led灯旁设有滤光片和控制滤光片上下运动的控制装置，所述控制装置在接收到滤光信号时控制施工人员所在方位的滤波片下降。

有益效果：根据施工人员的与led灯的角度位置关系，通过下降滤波片降低正对施工人员方向的led灯强度，防止了施工人员抬头时产生眩光，保证了施工的安全。

附图说明

图1为本发明实施例的逻辑示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例基本如附图1所示：

一种远程隧道施工人员实时定位系统，包括设立在隧道内部的led灯，led灯的是由多个led灯泡点焊而成，微型处理器选择STM32F103VDT6单片机或STM32F103ZCT6单片机，微型处理器用于根据信号调节led灯的开和关的频率，微型处理器与led灯泡通过锁存器，NPN达林顿管、ic插座等电学元件进行点焊连接，使得每一个led灯泡均可被微型处理器控制其开关频率，根据微型处理器自带的ip地址信息生成led灯位置id信息，在中央处理模块中模拟出隧道的三维模型，然后根据led灯的位置信息填充至该led灯在隧道内的实际安装位置，通过实际安装位置与led灯位置id信息的结合，实现现实与虚拟的结合，完成定位。即将隧道进行了数字化三维模拟，可以通过led灯位置id信息，确定led灯虚拟位置，再确定led灯的实际现实位置。

接收终端：所述接收终端包括旋转台、翻转台、旋转马达，所述旋转马达的输出轴与旋转台同轴可拆卸连接，所述翻转台设立在旋转台上方，另一旋转马达的输出轴与翻转台同轴可拆卸连接，且与翻转台连接的旋转马达通过一根支撑杆固定在旋转台上，旋转台也选用圆形，支撑杆下端固定在旋转台的弧面上；所述翻转台为圆形，且直径垂直于旋转台，所述光感模块固定在翻转台的圆弧上。光感模块可以选择根据光照强度自身特性会发生变化的光敏电阻。

接收终端设置在安全帽上，可直接将安全帽进行升级，将其改造成满足使用条件的安全帽，因为安全帽是施工人员必备的防护工具，施工安全指示及要求均告知施工人员对安全帽的使用必要，所以将接收终端安置在安全帽上可以防止施工人员忘了携带的情况发生，如果没有携带安全帽还可第一时间知晓，同时呢接收终端选用安全帽，也可减少施工人员的负重，不会增加其他的物品需要携带。所述微型处理器上加装了声波接收模块，用于接收特定的声波频率，安全帽上还设有主动声波发生器，当主动位置光信号未能被光接收模块所接收时，主动声波发生器发出位置声波被声波接收模块接收；声波接收模块选用HY-SRF05超声波传感器或LGCB1000-18GM-D1/D2-V15超声波测距传感器。主动声波发生器选用MA40S4S超声波发射器。当无法通过光信号判断施工人员的位置时，便通过超声波进行补充定位。

光接收模块：用于识别光源的开关频率，输出光电信号；光接收模块选用TSL250R-LF光转频率传感器，能精准识别led灯的光照频率并根据led灯频率转化出对应的电信号。

中央处理模块：所述中央处理模块根据微型处理模块随led灯安装在隧道内的位置，建立隧道空间模型，中央处理模块选用inter i510400F cpu及其组件，通过对隧道整体形状走向的建模，知晓每一个led灯在隧道内的相对位置，位置精度很高。

通过微型处理器控制led灯的频率发出led灯位置id信号，被接收终端的光感模块获取，然后将led灯位置id信号与微芯片id信号，合并发出，被光接收模块获取，然后传输给中央处理模块处理，中央处理模块根据两个位置id信号可以快速确定出施工人员的相对位置。

微芯片选择微型处理器选择STM32F103VDT6单片机或STM32F103ZCT6单片机等能实现简单控制指令的处理器，在微芯片内预设了第一旋转马达与第二旋转马达的控制指令，使其能进行周期性的运转，保持施工人员的实时位置得到及时性的更新。在感光模快位于上顶点时，第一旋转马达通过预设转动指令带动旋转台转动一周，感光模块通过对led灯的光照强度进行识别，微芯片对光照强度的数据以及转动的角度进行记录，确定并将旋转台转动至最大光照强度的转动角度位置；然后通过预设的第二旋转马达的控制指令控制第二旋转马达工作，同步监测光照强度变化，并将翻转台停止在最大光照强度位置。根据翻转台的转动角度，判断出施工人员所在方位后，微型处理器还会发滤光信号，所述led灯旁设有滤光片和控制滤光片上下运动的控制装置，所述控制装置在接收到滤光信号时控制施工人员所在方位的滤波片下降。防止了施工人员抬头时产生眩光，保证了施工的安全。

所述led灯、微型处理器、接收终端和光接收模块均为多组。依照预设间距间隔排列设置在隧道中，所述微型处理器与led灯数量一致，且每个微型处理器均和一个led灯对应；所述光接收模块通过信号线与中央处理器连接；多组led灯可以照亮整个隧道，同时也能拉长施工人员位置确认的位置长度，每个微型处理器和led灯，以及光接收模组配合成对，各司其职，井然有序地收集、处理和传递信息，逻辑更为清晰，不易出错，且数据更为精准。

还包括摄像头，所述摄像头获取隧道内的实时图像信息，中央处理模块根据实时图像渲染隧道空间模型。摄像头使得隧道空间模型更为贴合，同时也可通过摄像头的监控画面知晓施工人员的位置，更为直观。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (3)

1.一种远程隧道施工人员实时定位系统，包括设立在隧道内部的led灯，其特征在于，还包括：

微型处理器：所述微型处理器用于生成led灯位置id信息，并对led灯位置id信息进行编码，通过控制led灯的频率发出led灯位置id信号；

接收终端：包括光感模块、微芯片和主动光源，所述光感模块用于接收led灯位置id信号，所述微芯片用于在光感模块接收led灯id信号后，发出微芯片id信息，且微芯片对微芯片id信息进行编码，通过主动光源的开关频率传递出微芯片id信号；

光接收模块：光接收模块用于通过主动光源的开关频率识别微芯片id信号，生成人员位置信息；

中央处理模块：所述中央处理模块用于根据led灯的位置id信息构建隧道三维模型；还用于接收人员位置信息并根据人员位置信息在隧道三维模型里显示出相对位置关系；

所述接收终端包括旋转台、翻转台、第一旋转马达、第二旋转马达，所述第一旋转马达的输出轴与旋转台同轴可拆卸连接，所述翻转台设立在旋转台上方，第二旋转马达的输出轴与翻转台同轴可拆卸连接，第二旋转马达通过一根支撑杆固定在旋转台上；所述翻转台为圆形，且直径垂直于旋转台，所述光感模块固定在翻转台的圆弧上；

所述微芯片还用于通过预设的第一转动指令与第二转动指令控制第一旋转马达和第二旋转马达工作；

第一旋转马达通过预设转动指令带动旋转台转动一周，感光模块通过对led灯的光照强度进行识别，微芯片对光照强度的数据以及转动的角度进行记录，确定并将旋转台转动至最大光照强度的转动角度位置；然后通过预设的第二旋转马达控制指令控制第二马达工作，同步监测光照强度变化，并将翻转台停止在光感模块最大光照强度位置，其中在旋转台转动时，光感模块处于翻转台上顶点位置；

根据翻转台的转动角度，确定出led灯相对施工人员的偏转角度信息，通过微芯片编码后合并至微芯片id信号内一并发出；

还包括安全帽，所述接收终端设置在安全帽上；所述微型处理器上加装了声波接收模块，用于接收特定的声波频率，安全帽上还设有主动声波发生器，当主动位置光信号未能被光接收模块所接收时，主动声波发生器发出位置声波被声波接收模块接收；

根据翻转台的转动角度，判断出施工人员所在方位后，微型处理器还会发滤光信号，所述led灯旁设有滤光片和控制滤光片上下运动的控制装置，所述控制装置在接收到滤光信号时控制施工人员所在方位的滤波片下降。

2.根据权利要求1所述的一种远程隧道施工人员实时定位系统，其特征在于：所述led灯、微型处理器、接收终端和光接收模块均为多组。

3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种远程隧道施工人员实时定位系统，其特征在于：还包括摄像头，所述摄像头用于采集隧道内的实时图像信息。